JP2009240716A - 信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサの出力信号から評価の対象となる低域の周波数成分を効率よく得るための仕組みを提供すること。
【手段】ＡＤＣ１２は、加速度センサ１１が検出した加速度を所定のサンプリング周波数でサンプリングしたデジタル信号を出力する。ＨＰＦ１４は、カットオフ周波数制御部１７が指定する周波数以下の成分をそのデジタル信号から減衰させる。カットオフ周波数制御部１７は、被験者がアドレスの構えで静止してる間は、ＨＰＦ１４のカットオフ周波数を１０Ｈｚ相当にし、ドライバースイングを行っている間は、そのカットオフ周波数を１Ｈｚ相当にする。
【選択図】図1

Description

本発明は、センサの出力信号を処理する信号処理装置に関する。

センサの出力信号を基にその検知対象の状態の変化を解析する装置がある。ここで、センサの出力信号には検知対象そのものの状態の変化とは無関係な直流成分が重畳される場合がある。このため、この種の装置は、その直流成分を除去した残りの成分を基に解析を行うようにしたものが多い。センサの直流成分を除去する仕組みは、たとえば、特許文献１や２に開示されている。特許文献１に開示された装置は、ロボットに装着した加速度センサの検出値を基にその挙動を解析するものである。この装置は、加速度センサ自身の向きと水平方向とが成す角度を基にその加速度センサの出力信号の直流成分である重力加速度成分を割り出す。特許文献２に開示された装置は、患者の関節に装着した加速度センサの検出値を基にその関節の疾患の回復の程度を解析するものである。この装置は、２つの加速度センサのうち一方の出力信号と他方の出力信号の差を基に、それらの出力信号の各々の直流成分である重力加速度成分を割り出す。
特開２００３−２２８３２２号公報 特開２００３−３１９９２０号公報

センサの出力信号から直流成分を除去する簡易な手法の１つは、センサとそのセンサの出力信号を用いる解析装置の間にハイパスフィルタを挿入することである。当然ながら、このハイパスフィルタを経由させることにより、解析の対象そのものの状態の変化を示す周波数成分までも損なわれてはならない。よって、例えば、人の身体の運動をセンサによって検出して、解析を行うような場合、低域に分布する周波数成分が解析対象となるので、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を低く設定せざるを得ない。一方、ハイパスフィルタのカットオフ周波数が低いと、直流成分の減衰に要する時間である収束時間は長くなり、センサの出力信号から解析の対象となる周波数成分を得るまでに時間がかかるという問題がある。
本発明は、このような背景の下に案出されたものであり、センサの出力信号から直流成分を除去し、解析の対象となる低域の周波数成分を効率よく得るための仕組みを提供することを目的とする。

本発明の好適な態様である信号処理装置は、被験者の力の作用を受けて運動する部位の運動量を検出するセンサとそのセンサの出力信号の解析を行う運動解析処理装置の間に介挿され、前記センサの出力信号の高域成分を通過させるカットオフ周波数可変のハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数を第１の周波数からその第１の周波数よりも低い第２の周波数へ切り換えるカットオフ周波数制御手段とを備える。
この態様によると、運動解析処理装置による解析の開始に合わせてフィルタのカットオフ周波数が高いものから低いものへと切り換えられる。よって、センサの出力信号における低域の周波数成分を解析の対象とする場合においても、解析の対象の周波数成分は損なうことなく直流成分だけを解析の開始前に除去した上で、運動解析処理装置の解析に供することができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施形態を説明する。
この運動解析装置１０は、ゴルフのドライバースイングを解析するものである。
図１は、この発明の一実施形態である信号処理装置１００を含む運動解析装置１０の構成を示す図である。本実施形態においては、ドライバースイングの解析を受ける者（以下、「被験者」と呼ぶ）の力の作用を受けて運動する部位である腰に加速度センサを装着させ、被験者がスイングを行う間に加速度センサに加わる加速度（以下、適宜「運動加速度」と呼ぶ）の変化を解析する。図１に示すように、運動解析装置１０は、加速度センサ１１、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）１２、ＬＰＦ（Low Pass filter）１３、ＨＰＦ（High Pass
Filter）１４、書き込み制御部１５、解析用メモリ１６、カットオフ周波数制御部１７、解析部１８、およびディスプレイ１９を有する。これらのうち、ＡＤＣ１２、ＬＰＦ１３、ＨＰＦ１４、およびカットオフ周波数制御部１７は、信号処理装置１００を構成し、書き込み制御部１５、解析用メモリ１６、解析部１８、およびディスプレイ１９は、運動解析処理装置２００を構成する。そして、信号処理装置１００と運動解析処理装置２００は、被験者の掌に収まるサイズの筺体に搭載され、例えば、被験者の衣服のポケット等に収容される。

加速度センサ１１は、ケーブルにより筺体の内部のＡＤＣ１２と接続された３軸の加速度センサである。この加速度センサ１１は、自身の３つの検出軸ｘ，ｙ，ｚに加わる加速度を示すアナログ信号ａｘ，ａｙ，ａｚをそれぞれ出力する。より詳細には、この加速度センサ１１は、検出軸ｘの正の向きに加わる加速度を検出したときは、その大きさに比例した正のレベルのアナログ信号ａｘを出力し、検出軸ｘの負の向きに加わる加速度を検出したときは、その大きさに比例した負のレベルのアナログ信号ａｘを出力する。また、検出軸ｙの正の向きに加わる加速度を検出したときは、その大きさに比例した正のレベルのアナログ信号ａｙを出力し、検出軸ｙの負の方向に加わる加速度を検出したときは、その大きさに比例した負のレベルのアナログ信号ａｙを出力する。さらに、検出軸ｚの正の向きに加わる加速度を検出したときは、その大きさに比例した正のレベルのアナログ信号ａｚを出力し、検出軸ｚの負の向きに加わる加速度を検出したときは、その大きさに比例した負のレベルのアナログ信号ａｚを出力する。

図２に示すように、この加速度センサ１１は、被験者がボールを飛ばす向きをその検出軸ｘの正の向きと一致させ、被験者がアドレスの構えをとったときの正面をその検出軸ｙの正の向きと一致させ、上方への向き、つまり、鉛直方向と逆の向きをその検出軸ｚの正の向きと一致させるような姿勢で被験者の腰に装着される。
ここで、被験者がアドレスの構えを取ってからドライバースイングを終えるまでに加速度センサ１１が出力するアナログ信号ａｘ，ａｙ，ａｚには、発生要因を異にする以下の３つの成分が含まれる。
ａ．直流成分
これは、加速度センサ１１に重力加速度が加わることにより発生する成分である。被験者がアドレスの構えをとり、上方への向きと加速度センサ１１の検出軸ｚの正の向きが一致する姿勢で静止している間は、重力加速度のすべてが加速度センサ１１の検出軸ｚの負の向きに加わる。よって、この間は、加速度センサ１１のアナログ信号ａｚの負のレベルがその重力加速度に比例した分だけ大きく、残りのアナログ信号ａｘ，ａｙのレベルが０の状態、つまり、アナログ信号ａｚだけに重力加速度相当の直流成分が重畳された状態が続く。
ｂ．運動加速度成分
これは、加速度センサ１１に運動加速度が加わることにより発生する成分である。この運動加速度成分は、被験者がドライバースイングを行い、その腰が、ボールを飛ばす向きとその逆の向きへ往復運動している間だけ発生する。この間は、重力加速度とその重力加速度よりはるかに大きい運動加速度とが加速度センサ１１に加わる。被験者は、１秒あたり２〜３回の頻度で腰の運動に緩急をつけ、その加速度を変化させるため、２Ｈｚから３Ｈｚの間の帯域にこの運動加速度成分は含まれる。
ｃ．ノイズ成分
これは、被験者の腰の運動に伴う筋肉の細かな振動（振幅が小さいという意味だけではなく、被験者の意図する運動とは別の不随意に筋肉が細かく動くことによる振動）により発生する成分である。３Ｈｚを大きく超える帯域にこのノイズ成分は含まれる。
本実施形態においては、以上の３つの成分のうちノイズ成分と直流成分をフィルタにより除去し、残りの成分である運動加速度成分を解析の対象とする。詳しくは、後述する。

ＡＤＣ１２は、加速度センサ１１から出力されたアナログ信号ａｘ，ａｙ，ａｚを概ね１ｋＨｚのサンプリング周波数のサンプリングクロックφによりサンプリングし、デジタル信号ｄｘ，ｄｙ，ｄｚとして出力する。
ＬＰＦ１３は、３Ｈｚを大きく超える周波数ｆｃ１がカットオフ周波数として設定されたＬＰＦである。このＬＰＦ１３は、ＡＤＣ１２から出力されるデジタル信号ｄｘ，ｄｙ，ｄｚからノイズ成分を除去する役割を果たす。

ＨＰＦ１４は、カットオフ周波数が可変のＨＰＦである。より詳細には、このＨＰＦ１４は、移動平均値算出用の２つのタップとフィードバック値重畳用の２つのタップを繋げた２次のＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタであり、遅延素子３１，３２，３３，３４、乗算器３５，３６，３７，３８，３９、および加算器４０，４１，４２，４３により構成される。乗算器３５〜３９の各々の乗算係数に応じてこのＨＰＦ１４のカットオフ周波数は決まる。このＨＰＦ１４は、ＬＰＦ１３から出力されるデジタル信号ｄｘ，ｄｙ，ｄｚの直流成分、すなわち、アドレスの構えの間に加速度センサ１１の検出軸ｚに重力加速度が加わることにより生じる直流成分を除去する役割を果たす。

書き込み制御部１５は、解析の開始を示す信号である解析開始通知信号が解析部１８から出力されると、以後にＨＰＦ１４から出力されるデジタル信号ｄｘ，ｄｙ，ｄｚを解析用メモリ１６へ順に書き込み、ドライバースイングの始まりから終わりまでに相当する時間Ｔが経過するとその書き込みを停止する。解析部１８は、自らが解析を開始するタイミングに合わせてこの解析開始通知信号を出力する。詳しくは、後述する。
カットオフ周波数制御部１７は、解析部１８による解析の開始のタイミングに合わせて、ＨＰＦ１４のカットオフ周波数を第１の周波数からその第１の周波数よりも低い第２の周波数へと切り換える。より詳細には、このカットオフ周波数制御部１７は、図３に示すように、解析開始通知信号が解析部１８から出力されると、ＨＰＦ１４のカットオフ周波数を第１の周波数ｆｃ２から第２の周波数ｆｃ３にし、時間Ｔが経過するとそのカットオフ周波数を周波数ｆｃ２に戻す。このカットオフ周波数の切り換えの意義については、後述する。ここで、ＨＰＦ１４の第１の周波数ｆｃ２は、直流成分の減衰に要する時間である収束時間が短く、直流成分を十分遮断する周波数であり、１０Ｈｚ程度が好適である。また、第２の周波数ｆｃ３は、直流成分を遮断しつつ運動量を十分解析できる周波数であり、１Ｈｚ程度が好適である。上述したＬＰＦ１３に設定されるカットオフ周波数である周波数ｆｃ１は、第１の周波数ｆｃ２より更に十分高く、解析対象外の高周波数のノイズ成分を十分遮断する周波数であり、解析対象周波数の上限である数１０Ｈｚ程度が好適である。

図１において、解析部１８は、被験者によるドライバースイングの開始を検出する第１の役割と、以後の時間Ｔの間に加速度センサ１１に加わる運動加速度の変化を解析する第２の役割とを果たす。
第１の役割において、解析部１８は、ＨＰＦ１４から出力されるデジタル信号ｄｘが、ボールを飛ばす向きへの腰の加速の立ち上がりに相当する閾値Ｔｈを超えたか否かを監視する。そして、デジタル信号ｄｘがその閾値Ｔｈを超えると、解析開始通知信号を出力する。この信号の出力をトリガーとして、書き込み制御部１５による解析用メモリ１６へのデジタル信号ｄｘ，ｄｙ，ｄｚの書き込みとカットオフ周波数制御部１７によるＨＰＦ１４のカットオフ周波数の切り換えが行われることは、上述した通りである。
第２の役割において、解析部１８は、解析開始通知信号の出力以後に解析用メモリ１６へ書き込まれるデジタル信号ｄｘ，ｄｙ，ｄｚが示す加速度サンプルの変化を解析し、その解析の結果をディスプレイ１９に表示させる。この解析は、種々の態様に従って行い得る。例えば、解析用メモリ１６のデジタル信号ｄｘ，ｄｙ，ｄｚが示す加速度サンプルの各々をベクトル合成して合成加速度を求め、それらの合成加速度の時間波形の最大値が何時出現しているかを解析するものや、その最大値における合成加速度の絶対値を解析するものなど、運動フォームの良否の評価に繋がる任意の解析を行ってよい。

以上の構成によれば、本実施形態にかかる運動解析装置１０は、被験者の腰に装着された加速度センサ１１に加わる加速度のアナログ信号ａｘ，ａｙ，ａｚをＡＤＣ１２によりサンプリングし、サンプリングにより得たデジタル信号ｄｘ，ｄｙ，ｄｚをＬＰＦ１３からＨＰＦ１４へと出力する。そして、カットオフ周波数制御部１７は、解析部１８から出力される解析開始通知信号を基に被験者がアドレスの構えをとっている時間とドライバースイングを行っている時間とを特定し、ドライバースイングを行っている間だけＨＰＦ１４のカットオフ周波数を第１の周波数ｆｃ２から第２の周波数ｆｃ３へ下げる。この切り換えにより、スイングの間の運動加速度の変化を正確に示すデジタル信号ｄｘ，ｄｙ，ｄｚを解析部１８による解析に供することができる。

この作用について、さらに詳述する。上述したように、被験者がアドレスの構えを取っている間にＡＤＣ１２から出力されるデジタル信号ｄｘ，ｄｙ，ｄｚには、周波数が０の直流成分が含まれ、その構えの後のドライバースイングの間にＡＤＣ１２から出力されるデジタル信号ｄｘ，ｄｙ，ｄｚには、直流成分の他に、２〜３Ｈｚの帯域の運動加速度成分が含まれる。この運動加速度成分を通過させるためには、ＨＰＦ１４のカットオフ周波数を２Ｈｚ未満にする必要がある。しかしながら、周知のように、ＨＰＦ１４は、カットオフ周波数が低いほど収束時間が長くなるという性質を有している。よって、ＨＰＦ１４のカットオフ周波数を２Ｈｚ未満の周波数にすると、アドレスの構えの間に加速度センサ１１に加わっていた重力加速度の直流成分が十分に減衰されず、その構えからドライバースイングに移った後、ＨＰＦ１４を通過するデジタル信号ｄｘ，ｄｙ，ｄｚに直流成分が残ってしまう。これに対し、本実施形態においては、アドレスの構えの間に加速度センサ１１に加わる重力加速度の直流成分を、十分に高いカットオフ周波数のＨＰＦ１４によって除去し、ドライバースイングが始まるのに合わせてそのカットオフ周波数を引き下げる。そして、ドライバースイングに移った後に加速度センサ１１へ加わる運動加速度の運動加速度成分は、そのカットオフ周波数を引き下げたＨＰＦ１４を通過させるのである。
以上のように、本実施形態では、カットオフ周波数制御部１７が、被験者がドライバースイングを行っている間だけＨＰＦ１４のカットオフ周波数を低くする。これにより、アドレスの構えの間に加速度センサ１１に加わる重力加速度の影響を排した正確な解析を運動解析処理装置２００に行わせることができる。

本願発明は、種々の変形実施が可能である。
（１）上記実施形態では、カットオフ周波数制御部１７は、被験者がアドレスの構えを取っている間のカットオフ周波数ｆｃ２を１０Ｈｚ相当とし、被験者がドライバースイングを行っている間のカットオフ周波数ｆｃ３を１Ｈｚ相当とした。しかし、周波数ｆｃ２や周波数ｆｃ３は、解析対象である信号成分の帯域に合わせて適切な値を選択すればよい。（２）上記実施形態において、ＡＤＣ１２を削除し、ＬＰＦ１３およびＨＰＦ１４をアナログフィルタにしてもよい。この場合、ＨＰＦ１４を構成する抵抗やキャパシタの値を変化させることにより、そのカットオフ周波数を制御すればよい。
（３）上記実施形態において、被験者の力の作用を受けて運動する部位（たとえば、腰以外の身体の部位や道具など）の運動量が、方角の変化を検出する地磁気センサ、傾斜の変化を検出する傾斜センサ、圧力の変化を検出する圧力センサなどにより解析でき、その運動量の変化を示す周波数成分が低域に分布するときは、それらのセンサを加速度センサ１１に代えて搭載してもよい。そして、カットオフ周波数制御部１７は、そのセンサの出力信号を解析部１８が解析する間だけ、ＨＰＦ１４のカットオフ周波数を下げるようにするとよい。
（４）上記実施形態では、解析部１８は、ＬＰＦ１３が出力するデジタル信号ｄｘが閾値Ｔｈを超えると解析開始通知信号を出力し、その信号が出力されると、カットオフ周波数制御部１７がＨＰＦ１４のカットオフ周波数を引き下げた。しかし、カットオフ周波数制御部１７は、別の事象の発生を契機としてＨＰＦ１４のカットオフ周波数を引き下げるようにしてもよい。例えば、被験者にスイングの開始のタイミングを指示する合図音をスピーカから発音し、カットオフ周波数制御部１７が、その案内音の発音と同時にＨＰＦ１４のカットオフ周波数を引き下げるようにしてもよい。また、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）の点灯により被験者へドライバースイングの開始のタイミングを指示し、カットオフ周波数制御部１７は、そのＬＥＤの点灯と同時にＨＰＦ１４のカットオフ周波数を引き下げるようにしてもよい。
（５）上記実施形態において、信号処理装置１００は、１つのＨＰＦ１４を有し、カットオフ周波数制御部１７は、解析部１８による解析の開始のタイミングに合わせて、このＨＰＦ１４のカットオフ周波数を第１の周波数ｆｃ２から第２の周波数ｆｃ３に切り換えた。しかし、信号処理装置１００が、第１の周波数ｆｃ２を設定した第１のＨＰＦ１４−１と第２の周波数ｆｃ３を設定した第２のＨＰＦ１４−２を有し、カットオフ周波数制御部１７は、解析部１８による解析の開始のタイミングに合わせて、ＬＰＦ１３の出力信号の出力先を第１のＨＰＦ１４−１から第２のＨＰＦ１４−２に切り換えてもよい。また、カットオフ周波数制御部１７は、この切り換えの際、第１のＨＰＦ１４−１と第２のＨＰＦ１４−２の出力を重畳させながらフェイドイン（漸増）／フェイドアウト（漸減）させるようにしてもよい。
（６）上記実施形態において、カットオフ周波数制御部１７は、ＨＰＦ１４のカットオフ周波数を第１の周波数ｆｃ２から第２の周波数ｆｃ３に切り換え、時間Ｔが経過するとそのカットオフ周波数を第１の周波数ｆｃ２に戻した。しかし、カットオフ周波数制御部１７は、ＨＰＦ１４のカットオフ周波数を第１の周波数ｆｃ２から第２の周波数ｆｃ３に切り換えた後、加速度センサ１１の出力信号が示す加速度が０の近傍値になったか否かを判定し、加速度が０の近傍値になったタイミングに合わせて、ＨＰＦ１４のカットオフ周波数を第２の周波数ｆｃ３から第１の周波数ｆｃ２に戻すようにしてもよい。運動解析装置１０による解析の対象となるスポーツの運動フォームの中には、被験者の力の作用を受けて運動する部位をある向きへ加速させ、その向きへ等速運動させてから減速させるものがある。よって、加速度センサ１１の出力信号が０の近傍値になったことをトリガーとしてカットオフ周波数を第２の周波数ｆｃ３から第１の周波数ｆｃ２へ戻すような構成をとることにより、このような運動フォームの解析を、加速度センサ１１に加わる重力加速度の影響を排して正確に行うことができる。また、特許文献１に開示された装置のように、加速度センサ自身の向きと水平方向とが成す角度を算出する必要もなく、特許文献２に開示された装置のように、複数のセンサを搭載する必要もない。よって、これらの文献のものよりも簡単な構成によって、重力加速度に相当する直流成分を効率よく遮断することができる。

この発明の実施形態である運動解析装置の構成を示すブロック図である。 同実施形態の運動解析装置における加速度センサの装着の態様を示す図である。 同実施形態の運動解析装置におけるＨＰＦのカットオフ周波数の切り換えのタイミングを示す図である 。

符号の説明

１０…運動解析装置、１１…加速度センサ１１、１２…ＡＤＣ、１３…ＬＰＦ、１４…ＨＰＦ、１５…書き込み制御部、１６…解析用メモリ、１７…カットオフ周波数制御部、１８…解析部、１９…ディスプレイ、３１，３２，３３，３４…遅延素子、３５，３６，３７，３８，３９…乗算器、４０，４１，４２…加算器、１００…信号処装置、２００…運動解析処理装置

Claims (5)

1. 被験者の力の作用を受けて運動する部位の運動量を検出するセンサとそのセンサの出力信号の解析を行う運動解析処理装置の間に介挿され、前記センサの出力信号の高域成分を通過させるカットオフ周波数可変のハイパスフィルタと、
   前記運動解析処理装置による解析の開始のタイミングに合わせて前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数を第１の周波数からその第１の周波数よりも低い第２の周波数へ切り換えるカットオフ周波数制御手段と
   を備えることを特徴とする信号処理装置。
2. 前記ハイパスフィルタは、前記第１の周波数が設定された第１のハイパスフィルタと、前記第２の周波数が設定された第２のハイパスフィルタとを有し、
   前記カットオフ周波数制御手段は、
   前記運動解析処理装置による解析の開始のタイミングに合わせて、前記センサの出力信号の出力先を前記第１のハイパスフィルタから前記第２のハイパスフィルタへ切り換える
   ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記出力信号の低域成分を通過させるローパスフィルタ
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理装置。
4. 前記カットオフ周波数制御手段は、
   前記運動解析処理装置による解析が終了すると、前記低くしたカットオフ周波数を元に戻す
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の信号処理装置。
5. 前記カットオフ周波数制御手段は、
   前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数を前記第１の周波数から前記第２の周波数に切り換えた後、前記センサの出力信号が示す運動量が０の近傍値になったか否かを判定し、運動量が０の近傍値になったと判定したタイミングに合わせて、前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数を前記第２の周波数から前記第１の周波数に戻す
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の信号処理装置。
   
   
   

Images